第3章

色 彩 空 间





3.1色彩类型

图像有多种色彩空间类型,包括RGB色彩空间、GRAY色彩空间、XYZ色彩空间、YCrCb色彩空间、HSV色彩空间、HLS色彩空间、Bayer色彩空间等。本章主要介绍几类常用的色彩空间。

3.1.1RGB色彩空间




图31彩色图


RGB(红、绿、蓝)是构成图像的三原色,即所有颜色都可以通过RGB这3种颜色混合而成,每个通道的取值范围为0~255,如图31所示,蓝色、绿色、红色分别用(0,0,255)、(0,255,0)、(255,0,0)表示,红绿蓝三色混合成白色(255,255,255),红色和绿色混合成黄色(0,255,255),蓝色和绿色混合成青色(255,255,0),红色和蓝色混合成品红(255,0,255)。每种颜色用3个通道表示,每个通道有256种取值,因此3个通道不同取值的组合可以表示256×256×256种颜色。

【例31】查看彩色图像颜色通道。

彩色图像每种颜色由3个数值表示,通过查看彩色图像的颜色通道,了解各个通道的特性。

解: 

(1) 读入彩色图像。OpenCV以BGR的格式读入图像,若要正常显示图像,需要把BGR格式转换为RGB格式。

(2) 获取图像的各个通道。分别获取每个通道的颜色,将其他通道数值设置为0。例如当彩色图像只有B通道有数值且其他两个通道的数值为0时,整个图像呈蓝色。

(3) 显示图像,代码如下: 



#chapter3_1.py 显示彩色图像的3个通道

import cv2

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt



#1. 读入彩色图像img

img = cv2.imread('pictures/L1.png', 1)

#2. 获取图像的各个通道img[...,[b,g,r]]

#获取彩色图像的蓝色通道,并存放在图像b中

b = img.copy()

b[..., [1, 2]] = 0

#获取彩色图像的绿色通道,并存放在图像g中

g = img.copy()

g[..., [0, 2]] = 0

#获取彩色图像的红色通道,并存放在图像r中

r = img.copy()

r[..., [0, 1]] = 0

#3. 显示图像

re = np.hstack([img, b, g, r])

plt.imshow(re[..., ::-1])

cv2.imwrite('pictures/p3_2.jpg',re)



运行结果如图32所示。



图32彩色图像颜色通道


【例32】图像色彩变换。

使用不用的权重对各个通道加权,使图像展现不同的色彩。

解: 

(1) 图像预处理。把图像像素设置在0~1内。

(2) 通道加权。设置各通道的权重,根据权重对通道加权,实现图像颜色变换的目的。

(3) 显示图像。把原图和变换后的图像水平放置,并显示、保存图像,代码如下: 



#chapter3_2.py

import cv2






import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt



#1. 图像预处理

img0 = cv2.imread('huaduo.jpeg', 1)

#归一化

img = img0.copy() / 255.0

#2. 通道加权

#拆分通道

b, g, r = cv2.split(img)

#权重系数

wb1 = 0.5

wg1 = 0.5

wr1 = 0.55

wb2 = 0.25

wg2 = 0.25

wr2 = 0.75

#通道处理

r1 = wr2 * (wb1 * g + (1 - wb1) * b) + (1 - wr2) * r

g1 = wg2 * (wr1 * b + (1 - wr1) * r) + (1 - wg2) * g

b1 = wb2 * (wg1 * r + (1 - wg1) * g) + (1 - wb2) * b

#通道融合

img1 = (cv2.merge([r1, g1, b1]) * 255).astype(np.uint8)

#3. 显示图像

re = np.hstack([img0[..., ::-1], img1])

plt.axis('off')

plt.imshow(re)

#cv2.imwrite('imgs_re/chapter_03/p3_3.jpeg', re)



运行结果如图33所示。



图33图像色彩变换


【例33】生成老照片。

按照固定权重加权图像的各个通道,使图像看起来像老照片。

解: 

(1) 图像预处理。把图像像素设置在0~1内。

(2) 通道加权。根据固定权重对通道进行加权,再进行通道融合。

(3) 显示图像,代码如下: 



#chapter3_3.py

import cv2

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt



#1. 图像预处理

img = cv2.imread('pictures/L3.png', 1)

#归一化

img1 = img.copy() / 255.0

img0 = img1.copy()

#2. 通道加权

#拆分通道

b, g, r = cv2.split(img1)

r1 = 0.393 * r + 0.769 * g + 0.189 * b

g1 = 0.349 * r + 0.686 * g + 0.168 * b

b1 = 0.272 * r + 0.534 * g + 0.131 * b

#合并通道

img1 = cv2.merge([r1, g1, b1])

#像素归一化为0~1

img1 = (img1 - img1.min()) / (img1.max() - img1.min())

#3. 显示图像

re = np.hstack([img0[..., ::-1], img1])

re = (re * 255).astype('uint8')

plt.imshow(re)

cv2.imwrite('pictures/p3_4.jpeg', re[..., ::-1])



运行结果如图34所示。



图34生成老照片


3.1.2GRAY色彩空间

GRAY(灰度图像)通常指8位灰度图,只有一个通道,每个像素有256个灰度级,像素的范围是[0,255]。在OpenCV中,彩色图像通过对各个通道加权得到灰度图像,处理方式如下: 

Gray=0.114×B+0.587×G+0.299×R(31)
其中,B、G、R分别为彩色图像的蓝、绿、红颜色通道。彩色图像灰度化也可以对3个通道求平均值: 
Gray=(B+G+R)/3(32)
当将灰度图像转换为彩色图时,直接把灰度图像的通道复制3遍,堆叠在一起。生成的彩色图像与灰度图像视觉上无异,但是彩色和灰色图像的通道数不一样。
B=Gray
G=Gray
R=Gray(33)
【例34】彩色图像转灰度图。

使用两种不同的方式,把彩色图转换成灰度图。

解: 

(1) 读取图像。读入彩色图像和灰度图像,对彩色图进行通道拆分。

(2) 彩色图像转灰度图像。分别用平均法和加权法生成灰度图像。

(3) 显示图像,代码如下: 



#chapter3_4.py

import cv2

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt



#1. 读取图像

img = cv2.imread('pictures/L1.png', 1)  #读取彩色图像

img_gray = cv2.imread('pictures/L1.png', 0)  #读取灰度图像

#拆分通道

b, g, r = cv2.split(img)

#2. 彩色图像转灰度图像

#平均法,每个通道的b、g、r乘以1.0,把数据类型由uint8转换为浮点型,防止图像失真

img_gray_avg = (b * 1.0 + g * 1.0 + r * 1.0) / 3

#加权法

img_gray_weg = 0.114 * b + 0.587 * g + 0.299 * r

#3. 显示图像

re = np.hstack([img_gray, img_gray_avg, img_gray_weg])

plt.imshow(re, 'gray', vmin=0, vmax=255)

cv2.imwrite('pictures/p3_5.jpeg', re)



运行结果如图35所示。



图35彩色图像转灰度图像


3.1.3HSV色彩空间

HSV色彩空间是从颜色色度、亮度、饱和度3个方面描述色彩空间变化。色调(Hue)是指光的颜色,例如赤橙黄绿青蓝紫。饱和度(Saturation)是指色彩的深浅程度,饱和度越高,颜色越浓; 反之,颜色越淡。亮度(Value)指颜色的明暗程度,亮度越高,说明颜色越亮; 反之,越暗。

色度的取值范围为[0,360],饱和的取值范围为[0,1],亮度的取值范围为[0,1]。把彩色图像映射到[0,1]区间上,再通过以下方式可以转换成HSV色彩空间: 
V=max(R,G,B)(34)
S=V-min(R,G,B)V,V≠00,其他(35)
H=60-(G-B)V-min(R,G,B),V=R
120+60-(B-R)V-min(R,G,B),V=G
240+60-(R-G)V-min(R,G,B),V=B(36)
如果计算得到H<0,则需要对H进一步地进行处理: 
H=H+360,H<0H,其他(37)
在图像处理中,把图像从BGR格式转换到HSV格式,然后确定特定颜色的取值范围,获取特定颜色的掩模,再根据掩模和原图做逻辑运算就可以获取原图上指定颜色区域。常见色彩的HSV值见表31。

表31HSV色彩区间



HSV白红黑灰橙黄绿青蓝紫

h_min00|1560011263578100125
h_max18010|18018018025347799124155
s_min04300434343434343
s_max3025525543255255255255255255
v_min22146046464646464646
v_max25525546220255255255255255255


3.2色彩空间转换

色彩空间类型转换是指将图像从一个色彩空间转换到另外一个色彩空间。通过色彩空间转换,可以方便用户根据需求对图像进行操作。例如先把彩色图像转换为灰度图,然后对灰度图阈值化处理使其变为二值图,再根据二值图寻找图像轮廓。

在OpenCV内,使用cv2.cvtColor()函数实现色彩空间变换,其语法格式如下: 

dst=cv2.cvtColor(scr,code[,dstCn])

(1) dst: 输出图像。

(2) scr: 输入图像。

(3) code: 色彩空间转换码。色彩空间转换码有多种类型,常用类型有cv2.COLOR_RGB2BGR、cv2.COLOR_BGR2RGB、cv2.COLOR_BGR2HSV、cv2.COLOR_RGB2HSV、cv2.COLOR_BGR2GRAY、cv2.COLOR_RGB2GRAY、cv2.COLOR_HSV2BGR、cv2.COLOR_HSV2RGB。

(4) dstCn: 目标图像通道数。

【例35】颜色分割。

使用kmeans算法对图像像素进行分类。

解: 

(1) 图像处理。先读入彩色图像,对图像做高斯模糊去除噪声,再把图像展开成一维,每个像素为一个单元。

(2)  颜色分类。设置分类类别数和分类标准,用kmeans算法把像素分为两类,得到类的中心点坐标和每个像素的类别。根据每个像素的类别,把每个像素用所属类别值替代,从而得到分割数据,最后把分割数据缩放到原图尺寸。

(3)  显示图像,代码如下: 



#chapter3_5.py

import cv2

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt



#1. 图像处理

img0 = cv2.imread('pictures/knn.png', 1)

img0 = cv2.cvtColor(img0, cv2.COLOR_BGR2RGB)

#高斯模糊

img_g = cv2.GaussianBlur(img0, (13, 13), 10, 10)

h, w, c = img_g.shape  #(110, 283, 3)

img_blur = img_g.reshape([-1, 3]).astype('float32')  #(31130, 3)

#2. 颜色分类

#分类标准

criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0)

#分类类别数

num_clusters = 2






#kmean分类,把像素分为两类,center_color存储两类颜色的均值

#label存储每个像素属于哪个类别

_, label, center_color = cv2.kmeans(img_blur, num_clusters,

None, criteria,

num_clusters,

cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS)

#把类别中心转换成uint8

center_color = center_color.astype(np.uint8)

#img_blur[398396,3],label[398396,1],center[2,3]

#把每个像素用对应类别的中心点像素替代,res[398396,3]

res = center_color[label.ravel()]

#res[398396,3]--> [548,727,3]

res = res.reshape([h, w, c])

#3. 显示图像

re = np.hstack([img0, img_g, res])

plt.imshow(re)

#cv2.imwrite('pictures/p3_6.jpeg', re[..., ::-1])



运行结果如图36所示。



图36图像颜色分割


【例36】色彩抠图。

抠取图像指定颜色区域。

解: 

(1) 图像处理。将图像img转换到HSV空间。

(2)  HSV色彩抠图。先获取指定颜色像素,把指定颜色转换到HSV空间。再根据HSV设定指定颜色的阈值。例如要获取图像中的黄色区域,先获取图中任意黄色点的像素。打开并显示彩色图像,将鼠标移动到图像黄色区域,获取黄色点的坐标[y,x]。假设根据坐标获取img[y,x]的黄色像素为[246,199,67],把黄色像素由BRG转换为HSV为[98,186,246],然后根据[H-100,100,100]和[H+100,255,255]设定黄色的取值范围。最后根据阈值构建掩模,通过原图与掩模的逻辑与运算获取指定颜色区域。

(3)  显示图像,代码如下: 



#chapter3_6.py

import cv2

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt



#1. 图像处理。读取图像并转换成HSV

img = cv2.imread('pictures/knn.png', 1)

hsv = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2HSV)






#2. HSV色彩抠图

#获取指定颜色

yellow = np.uint8([[[246, 199, 67]]])

#把指定颜色转换到HSV

hsv_yellow = cv2.cvtColor(yellow, cv2.COLOR_BGR2HSV)

print(hsv_yellow)  #[[[  98, 186, 246]]]

#设定指定颜色的阈值 [H-100,100,100] 和 [H+100,255,255]

lower_yellow = np.array([0, 100, 100])

upper_yellow = np.array([198, 255, 255])

#根据阈值构建掩模

mask = cv2.inRange(hsv, lower_yellow, upper_yellow)

#对原图像和掩模进行位运算,从而得到指定颜色

img1 = cv2.bitwise_and(img, img, mask=mask)

#3. 显示图像

re = np.hstack([img, img1])

plt.imshow(re[..., ::-1])

cv2.imwrite('pictures/p3_7.jpeg', re)



运行结果如图37所示。



图37色彩抠图


【例37】根据HSV定位车牌。

解: 

(1) 图像处理。

(2)  HSV色彩抠图。将图像转换到HSV空间。车牌由绿色和白色组成,获取绿色、白色像素并转换到HSV空间。根据HSV设定指定颜色的取值范围。再根据阈值构建掩模,最后通过原图与掩模的逻辑与运算获取指定颜色区域。

(3)  显示图像,代码如下: 



#chapter3_7.py  车牌定位

import cv2

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt



#1. 读取图像

img = cv2.imread("pictures/che.png", 1)

#2. HSV色彩抠图

hsv = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2HSV)

#设定指定颜色的阈值 [H-100, 100, 100] 和 [H+100, 255, 255]

#绿色取值范围,green[70, 149, 217]

lower_green = np.array([0, 100, 100])

upper_green = np.array([170, 255, 255])

#白色取值范围,white[58,  18, 230]






lower_white = np.array([0, 100, 100])

upper_white = np.array([158, 255, 255])

#根据阈值构建掩模

mask1 = cv2.inRange(hsv, lower_green, upper_green)

mask2 = cv2.inRange(hsv, lower_white, upper_white)

mask = mask1 & mask2

#对原图像和掩模进行位运算,从而得到指定颜色

img1 = cv2.bitwise_and(img, img, mask=mask)

#3. 显示图像

re = np.hstack([img, img1])

plt.imshow(re[..., ::-1])

cv2.imwrite('pictures/p3_8.jpeg', re) 



运行结果如图38所示。



图38车牌定位


【例38】去除背景噪声。

解: 

(1) 读取图像。

(2) 图像处理。调整图像亮度,设置和原图一样大、像素为70的模板tmp,然后把tmp与原图像相加,从而得到图像out,使原图背景中的黑色阴影淡化。如果想得到更好的效果,则可把图像out中的设计草图分割出来,从而得到掩码m,根据掩码m对图像out做与运算,从而得到最终图像out1。

(3)  显示图像,代码如下: 



#chapter3_8.py  

import cv2

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt



#1. 读取图像

img = cv2.imread("pictures/tu.jpeg", 1)

#2. 图像处理

#调整图像亮度

tmp = np.ones_like(img) * 70

#给原图像的每个像素加70,从而提升图像亮度






out = cv2.add(img, tmp)

#分割出图像草图

m = np.array(out[..., 0] > 190).astype(np.int8)

#按位与运算

out1 = cv2.bitwise_and(out, out, mask=m)

#3. 显示图像

re = np.hstack([img, out, out1])

plt.imshow(re)

cv2.imwrite('pictures/p3_9.jpeg', re)



运行结果如图39所示。



图39去除背景噪声